冲击荷载下典型土体力学响应试验研究及有限特征比理论分析

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土体在动荷载作用下的力学响应与静荷载下的力学响有着非常大的差异,而力学响应特征是地基基础设计的重要依据,土体原位测试技术一直受到岩土工程界高度重视。针对传统原位测试存在的诸多问题,如Evd测试技术,其冲击荷载较小(检测深度较小)、检测指标单一、实际可检测土类有限以及严格限定冲击荷载持续时间等不足。本文采用新研发的高能自控式冲击载荷试验仪(TDE-300)对两种典型土体进行了动力测试及有限特征比理论分析。本文首先综述了国内外土体平板载荷试验和本构关系的研究现状,利用高能自控式冲击载荷试验仪(TDE-300),对两种典型土体进行了新型冲击载荷试验,采用高精度、高频率冲击荷载、位移测量系统,全过程记录冲击瞬间的荷载和土体位移的变化,结合试验数据,分析探讨土体的力学响应和变形特性;再结合有限特征比理论对土体变形特性进行研究;然后再将试验结果、有限特征比模型结果及有限元模拟结果进行对比分析;最后对新型冲击载荷试验和Evd试验进行对比性分析。本文的主要内容及研究成果如下:(1)新型冲击载荷试验研究通过分析高能冲击作用下两种不同土体的荷载与位移全过程响应特点,在相应不同变形阶段确定了相应的变形模量,即初始动态变形模量Eid,i、线性段动态变形模量Eid和平均动态变形模量Eid,m;根据土体响应特点以及试验结果,获得了两种土体的竖向应力-应变曲线。(2)两种典型土体的力学响应特征研究根据新型冲击载荷试验和土体动态响应特征,土体动态变形模量和土体应变率的关联性,引进参数α,建立了土体应变率与动态变形模量的经验关系式;再根据动态变形模量经验式,进一步得到修正的动态变形模量计算公式。试验结果表明,岩土类材料为典型的敏感材料,土体的应变率和动态变形模量成正比。(3)两种典型土体的有限特征比理论分析以有限特征比理论为基础,同时结合试验结果,运用曲线拟合及反分析方法,建立土体的有限特征比演化关系式。并对两种土体进行了有限元模拟分析,将有限特征比计算结果、有限元模拟结果与试验结果三者进行比较。试验结果表明,有限特征比理论模型计算结果、有限元分析结果与试验结果具有很好的一致性,其中有限特征比模型最为接近试验结果,由此可说明,该模型对于黏土、砂土的变形特征的分析及描述是较理想的;但是变形响应有所不同,其原因是介质内外特征比的不同所导致的,同时也展现了该理论模型的不同之处。(4)新型冲击载荷试验与Evd试验对比分析初步获得了两者之间动态变形模量的关系,新型冲击载荷试验的动态弹性模量Eid的加载速率远大于Evd试验的Evd,即在相同的试验条件下:Eid/Evd≈8。该关系的建立,为以后现场动力平板载荷试验参数的统一关系提供了一定的参考。对比试验表明,新型冲击载荷试验(TDE-300)的影响深度明显大于Evd测试的影响深度。新型冲击载荷试验的影响深度是120cm130cm,而Evd测试的影响深度为40cm50cm。
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